[发明专利]用于河道监控的下俯式双目视觉系统及图像处理方法

摘要

本发明提供了一种用于河道监控的下俯式双目视觉系统及图像处理方法，该系统的图像采集器采用向下俯视的安装方式，能够获得较大的视角范围；该系统的图像处理算法采用实时在拍摄平面(即河道水面)上采样多个点以建立图像坐标与世界坐标的变换关系，因此这种算法无需考虑水位的变化情况有效简化计算过程，另外，该算法在计算得出特征点离图像采集器比较远时启用两个图像采集器同时进行监测，能够有效解决在特征点离图像采集器比较远时监测精度低的问题，而在特征点离图像采集器比较近时人仅采用单一图像采集器的数据进行监测即可满足精度要求，而且能够保证系统计算量较低。

主权项

一种用于河道监控的下俯式双目视觉系统，包括第一图像采集器和第二图像采集器，其特征在于：所述第一图像采集器和第二图像采集器都倾斜向下俯视待监控的平面区域，所述第一图像采集器的主光轴和第二图像采集器的主光轴相互平行，且由第一图像采集器和第二图像采集器确定的安装平面与第一图像采集器或者第二图像采集器的主光轴相交；基于所述的用于河道监控的下俯式双目视觉系统的图像处理方法，包括以下步骤：坐标建立步骤：建立世界坐标xyz和图像坐标XYZ，其中世界坐标xyz即空间三维坐标，图像坐标XYZ是以第一图像采集器的主光轴为Z轴、图像采集镜头水平方向为X轴、图像采集镜头竖直方向为Y轴的直角坐标系，具体的：以空间中的水平面为xy平面，竖向为z轴方向建立直角坐标系xyz，该坐标系为定义为世界坐标，以第一图像采集器的主光轴为Z轴，图像采集镜头水平方向为X轴、图像采集镜头竖直方向为Y轴建立图像坐标XYZ，通过第一图像采集器采集到平面ψ，设所拍摄的到平面ψ的范围为面ABCD，区域ABCD在第一图像采集器中的成像平面为A′B′C′D′，在平面ψ中建立世界坐标x1y1z1，在平面ψ中任意选择一点o1作为坐标原点，则该点在世界坐标xyz中的坐标为(x0,y0,‑z0)，其x1轴和y1轴分别平行于世界坐标xyz的x轴和y轴；z1轴垂直于平面ψ，则世界坐标x1y1z1与xyz之间的关系为：在图像坐标XYZ中，设相机的X方向的视场角为2θ1，Y方向的视场角为2θ2，相机X方向的分辨率为Nx，Y方向的分辨率为Ny，则拍摄的画面A′B′C′D′如图3所示，由于画面图像是由无数像素点组成，定义处于最左上角的像素的坐标为(0,0)，则可知各个像素点的坐标值从左上角依次增大到右下角，以画面图像中的像素坐标作为待检测的特征点的图像坐标；坐标变换步骤：在拍摄平面区域中确定不少于三个样本点，这些样本点不在同一直线上，实时测量这些样本点在世界坐标系中的坐标值和在图像坐标中的坐标值，据此确定图像坐标与世界坐标的变换关系，具体的，世界坐标和图像坐标的变换原理如下：设拍摄区域中的一个点P，其在相机画面中为点P′，点P′在图像中的位置通过数字图像处理得到其像素的坐标位置，设P′点的像素坐标为(i,j)，其中，i表示水平方向像素点个数，j表示竖直方向像素点个数，设图像采集器绕x轴，y轴以及z轴旋转地角度分别为α、β、γ，则分别绕x，y，z轴旋转，其方程为：其中：r1＝cosβcosγr2＝cosβsinγr3＝‑sinβr4＝sinαsinβcosγ‑cosαsinγr5＝sinαsinβsinγ+cosαcosγr6＝sinαcosβr7＝cosαsinβcosγ+sinαsinγr8＝cosαsinβsinγ‑sinαcosγr9＝cosαcosβ则OP′方向在X方向以及Y方向的夹角分别为θ1′和θ2′，则有以下关系式：则在坐标系xyz中，P点坐标为：z＝‑z0在所拍摄区域ABCD中选取n为样本点，至少选择3个特征点，且点不能在同一直线上，获取个特征点在坐标系x1y1z1中的坐标位置，即(x11,y11,z11)，(x12,y12,z12)，…，(x1n,y1n,z1n)，获取这些点在图像坐标中的坐标值，代入上述公式，即可实时计算出上述方程的参数；特征点坐标初测步骤：获取第一图像采集器采集到的图像中的特征点的图像坐标，根据图像坐标与世界坐标的变换关系将特征点图像坐标变换为世界坐标，根据特征点的世界坐标计算特征点与基准图像采集器之间的距离值；误差判断步骤：判断特征点与第一图像采集器之间的距离值是否大于第一阈值，如果否，则以特征点坐标初测步骤所测的世界坐标值作为特征点的世界坐标值，如果是，则跳转至二次测量步骤；二次测量步骤：获取除第二基准图像采集器采集到的图像，计算特征点在第一图像采集器采集到的图像中的偏离角度θ1和在第二图像采集器采集到的图像中的偏离角度θ2，然后利用交叉定位原理计算出特征点的世界坐标，采用双目红外交叉成像技术，由于第一图像采集器和第二图像采集器确定的安装平面与第一图像采集器或者第二图像采集器的主光轴相交，两台图像采集器的安装位置之间存在间距D，高度差H，设特征点在两幅图像上的偏离角度分别为θ1和θ2，角度规定以Y轴顺时针为正，则可知目标坐标为：对于双目视觉红外摄像机对目标测量精度的误差主要来自于摄像机角分辨率误差，假设两台相机的角分辨率误差为Δθ，则可以推导出如下的误差计算公式：采用该技术可以大幅降低远距离测量时的误差。